第十三章 金属淀积
概述
集成电路的制造可以分成两个主要的部分。首先，在晶片的表面制造出有源器件和无源器件，这称作前线或者FEOL。在后线（BEOL）中，需要在芯片上用金属系统来连接各个器件和不同的层。在这一章中，金属化工艺所要用到的材料、规格、工艺将随着金属在芯片制造中的应用而逐步阐明。在CVD中所使用的真空泵、蒸发、离子注入和溅射系统将在这一章的结束时进行介绍。
目的
完成本章后您将能够：
1． 能够列举出对于芯片表面导体所使用的金属材料的要求。
2． 能够画出单层和多层金属结构的截面图。
3． 能够描述薄膜熔丝的工作过程和目的。
4． 能够列出在半导体器件的金属化工艺中所使用的材料，并能指出各自的特殊用途。
5． 能够画出和指出真空蒸发器的各个部分。
6． 能够描述溅射系统的原理。
7． 能够画出和指出溅射系统的各个部分。
8． 能够描述油扩散泵、涡轮泵和低温高真空泵的原理和操作。
介绍
录取英文
金属薄膜在半导体技术中最一般和最常见的用途就是表面连线。把各个元件连接到一起的材料、工艺、连线过程一般称为金属化工艺（metallization）或者金属化工艺流程（metallization process）。金属化工艺包括了在第五章中描述的所有的金属化工艺顺序流程的各个步骤。
单一导体层金属
在中等规模的集成电路时代，金属化工艺相对要简单一些（图13.1），仅需要单层金属的工艺流程。首先在表层蚀刻连接各个器件／集成电路元件的小孔，它们被称为“连接孔（让子弹飞语录contact holes）”或“连接（contacts）”；然后通过真空蒸发、溅射或CVD技术在整个晶片表面淀积一层导体金属（一般是铝或铝合金）薄层（10,000到15,000Å）；这一层中不想要的部分通常用传统的光刻和蚀刻程序或升-离法去掉；做完这一步之后，晶片表面就留下了金属细线，它们被称为“导线”（leads）、“金属线（metal lines）”或“互相连接（interconnects）”。通常来说，为了确保金属和晶片之间具有较好的导电性能，经常在金属的光刻之后进行加入一个热处理步骤，或者称作“合金化（alloying）”过程。
1. Wafer with Doped Regions 2. Patterning: Contact Mask
1.晶片及其掺杂的区域 2. 光刻：连接层光刻
3. Layering: Contact layer 4. Patterning: Metal Mask
3. 淀积：导电层 4. 光刻：金属光刻
图13.1 金属化工艺流程
不管金属化系统的结构如何，它必定符合以下的条件：
**良好的电流负载能力（电流密度）
**和晶片表面（通常是SiO2）具有的良好的粘合性
**易于光刻
**存组词语和晶片材料具有良好的电接触性能
**高纯度
**耐腐蚀
**具有长期的稳定性
**能够淀积出均匀而且没有“空洞”和“小丘”的薄膜
**均匀的颗粒结构
多层金属导体框架
增加芯片密度能够在晶片表面放置更多的元件，这实际上就减少了表面连线的可用空间。这个问题的解决方法就是利用有二至四层独立金属层（图.13.2）的多层金属结构。到2012年，芯片上的金属层可望达到报考公务员流程9层。1（图13.3显示了一个典型的两层金属的堆栈结构）这种堆栈结构的底部是在硅表面形成的硅化物隔离层，这有利于降低硅表面和上层之间的阻抗。如果铝作为导电物质的话，隔离层也能够阻止铝和硅形成合金。接下来是由某种绝缘物质构成的绝缘层，我们称之为“金属间绝缘层”（IDL或IMD）它在两个金属层之间提供电绝缘作用。这种绝缘材料可能是淀积的氧化物、氮化硅或聚酰亚胺膜。这一层需要进行光刻以形成新的连接孔，这些连接孔被称为过孔或接线柱，它们直达第一层金属。在这些连接孔中淀积导电的物质，就可以形成导电的接线柱。紧接着，第一层的金属层被淀积并光刻。在以后的工艺中，重复IMD∕接线柱毛呢大衣怎么清洗 ∕金属淀积∕光刻，就形成了多层金属系统。和单层金属系统相比，多层金属系统更昂贵，良品率较低，同时需要努力使晶片表面和中间层平整化，才能制造出比较好的载流导线。
图13.2 多层金属结构（经”半导体服务”允许 1997年7月）
图13.3 二层金属结构（经”半导体服务”允许 1998年1月）
导体
铝
这一部分我们将介绍三种主要的用于金属连接的金属。在超大规模集成电路发展之前，主要的金属化工艺材料就是纯铝。通常来讲，了解我们为什么选择铝以及铝的局限性，对于理解金属化工艺系统是很有教育意义的。从导电性能的观点来看，铝的导电性要比铜和金差些。因此早期的金属化结构曾使用过金，但是由于它同硅的接触电阻很高，因此需要一个铂中间层，并且其顶部需要加入一层钼金属来克服其柔软性。如果直接使用铜作为铝的取代物的话，首先它同硅有很高的接触电阻，其次，如果它进入器件区的话，会降低器件性能。而铝则不具有上面所说的问题，因而成为一种较好的选择。它的电阻极低（2.7µΩ/cm）2，有很好的电流负载能力。它对硅氧化物有很好的粘合性，有很高的纯度，和硅有很低的接触电阻，并且易于光刻。常用的铝原料纯度一般大约在5到6个“9”左右（99.999到99.9999%）。
铝硅合金
使用纯铝导线所遇到的第一个问题，是关于晶片表面的浅结点问题。我们在上面已经讲到，为了降低并稳定铝-硅界面的接触阻，需要对晶片进行烘烤，以形成所谓的“欧姆接触”，这时电压-电流的特征行为服从欧姆定律。不幸的是，铝和硅在能够相互溶解，而且在577摄氏度时它们存在一个共熔点。共熔现象是指当两种物质相互接触并进行加热的话，它们的熔点将比各自的熔点低得多。共熔现象发生在一个温度范围之内，铝硅共熔大概在450摄氏度左右就已经开始了，而这个温度是形成良好的电接触所必要的。问题的关键在于所形成的合金能够溶解进硅晶片内，如果其表面有浅结点的话，合金区域将扩散并进入这些结点，从而造成这些结点的短路（图13.4）。
解决这个问题有两种办法。其一，在硅和铝之间增加一个金属隔离层（参照隔离金属部分）来隔离铝和硅，以此来避免共熔现象的发生。其二，采用含硅1%到2%的铝合金，在接触加热的处理中，铝合金更倾向于和合金内部的硅发生作用，而不是晶片中的硅。当然了，这个方法并不是百分之百有效，晶片和铝之间的合金化反应还是经常会发生。
图13.4 铝和硅接触点的共熔合金化反应
铝铜合金
使用铝导线的时候还经常会碰到“电迁移”的问题。在较大规模集成电路/超大规模集成电路中，铝导线比较细长，而且经常承载很高的电流，这个这个时候问题就会发生。电流在导线内部产生一个电场，并且电场强度从输入端到输出端逐渐减弱。同时，电流所产生的热也产生一个热梯度。在它们的作用下，导线内部的铝就会运动并沿着两个梯度的方向扩散。这样最直接的影响就是使导线变细，在最坏的情况下，导线甚至会完全断开。不幸的是，这种情况经常在集成电路的使用后发生，从而引起芯片失效。不过，通过淀积含铜0.5%到4%3的铝铜合金或含钛0.1%到0.5%的铝钛合金就可以防止或减轻电迁移现象。在实际的应用中，人们经常使用既含有铜又含有硅的铝合金以防止合金化问题和电迁移问题。
使用铝合金的缺点是增加了淀积设备和工艺的复杂性，以及造成了不同的刻蚀率，同时和纯铝相比，它也增加了薄膜的电阻率。增加的幅度因合金成分和热处理工艺的不同而异，通常多达25%到30%。4
铜
随着单个器件变得越来越小，集成电路的运行越来越快。在几百兆赫的速度下，信号必须以足够快的速度通过金属系统才能防止程序延误。在这种情况下，铝金属就成了集成电路的速度的限制条件。更大的芯片需要更长更细的金属导线，这就使金属连线系统的电阻变得更大。随着集成电路元件的增加，铝和硅之间接触电阻已经达到了极限而不能够变得更小。即使铝的电阻率还能够勉强可以满足要求，它也很难淀积在有很高纵横比的过孔/接线柱中。直到今天，人们已经使用了隔离金属、堆叠金属和难熔金属来降低铝金属系统的电阻率。由于0.25-情书写给女生μｍ（或更小）的器件的需要，人们不得不尝试着减少附加电阻，这使人们的兴趣重新转向了铜这种导体。与铝3.1mΩ/cm的电阻相比，铜的电阻仅有1.7mΩ/cm，导电性比铝的优良甚多。同时，铜本身就具有抗电迁移的能力，而且能够在低温下进行淀积。5铜也能够作为接线柱材料使用。铜能够通过CVD、溅射、化学镀、电镀等方法进行淀积。等离子体增强型的化学气相淀积（PECVD）是人们首先尝试的方法。然而，使用铜也有很多缺点例如：缺乏学习曲线，刻蚀问题，铜还易刮伤、腐蚀，还需要隔离金属来防止铜进入硅片之中。尽管如此，IBM,还有紧随其后的Motorola，都在1998年就宣布了基于铜技术的器件制造的可行性。6
金属电阻（R）和电容（C）的联合作用就会使集成电路的信号变慢。这称为RC系统常量。因此人们希望能将铜工艺和新型的低电容（低电介质强度或低“k”）电介质例如硅化钴（CoSi2）结合使用。同时使用铜金属系统和低k电介质，能将RC常数降低400%。7
除了使用低k的金属间电介质，使用铜还需要业界发展双波纹光刻，并采用化学机械抛光(CMP)工艺（参照第十章）。淀积技术包括传统的CVD和PVD技术。同时电镀技术对于晶片制造工业来说，这是一个全新的工艺。在这一章里，我们将会对电镀和双波纹光刻工艺进行更加深入的探讨。
双波纹工艺
在第十章中，我们介绍了基本的单波纹工艺。波纹工艺的概念很简单：首先在电绝缘层表面蚀刻出小沟并在小沟里淀积金属，一般情况下，淀积的金属会溢出，这就需要解方程教学反思CMP工艺来磨平其表面。这个工艺可以实现出色的尺寸控制，因为它消除了典型的金属刻蚀工艺所带来的差异。双波纹工艺则在这个概念上更进一步： 在铜的金属化工艺中，将不再需要另外的连线金属。在双波纹工艺中，连接孔和金属沟槽将依次形成（图13.5），而后的金属淀积工艺会填充连接孔和沟槽，形成一个完整的金属层。在所示的工序中，其中存在一个
隔离层/口酸种子层的淀积步骤，实际上这是两个不同的淀积步骤。首先用溅射的方法把隔离金属淀积到连接孔/沟槽中，钽和氮化钽是目前所用的隔离金属材料。8接下来就开始淀积（通常用溅射）一薄层铜的种子层。这个种子层作为铜电镀的初始层是很有必要的。由于所需的温度较低，并且成本较低，电镀正成为实际生产所选用的铜淀积工艺。如果使用低k电介质的话，低温是非常必要的。为了确保铜金属导线具有均匀的物理特性和电特性，种子层必须均匀覆盖连接孔/沟槽的底部和侧壁。
图13.5 双波纹和铜工艺步骤
隔离层金属
一个阻止硅和铝共熔形成合金的金属化工艺的方法就是在它们中间加入一个隔离层。目前的选择有钛化钨（TiW）和氮化钛（TiN）。具体的做法是在铝或铝合金淀积以前，把TiW用溅射的方法淀积在晶片表面的连接孔或沟槽中。淀积在氧化膜上的TiW可以在铝的刻蚀工序中去除。有时在淀积TiW之前，会先在暴露的硅表面淀积一层硅化铂。
